资源描述
日本饮用水的储存、输送和配管使用不锈钢的经验
1．绪言
在人类生活中，水是不可缺少的。随着社会经济的飞速发展，城市的扩展日益加快，城市的建筑物向群体化、高层化迅速发展，同时对城市的供水系统提出了新的挑战。特别是随着人类文明的进步，不仅对水的数量有了更高的要求，而且对水质的要求也越来越高。为了适应对水需求的飞速发展，供水部门不仅要保证现在，而且要考虑到将来都能稳定地、正常地供给人们生活用的清洁水，保证供给安全而可口的自来水及保证因城市发展而出现的特殊供水要求。因此，新扩建的城市供水系统无疑要采用新的装备、新的技术和新的材料来满足新的更高的要求，就是对原有的供水系统也要有计划地应用新技术和新材料来加以改造。不锈钢从60年代中期在日本首次应用于城市供水和污水处理以来，已经成为被世人所公认的"最佳饮用水容器材料"。特别是经历1995年阪神大地震和1996年的病原性大肠菌。一157群体中毒事件之后，更引起了人们对水质的加倍关注。采用不锈钢制作输水管道和贮水设备可以得到良好的水质和耐用性受到人们的赞偿，被越来越广泛地推广使用。
2．供水设备使用不锈钢概况
给水设备大致可分为三类：水源设备、配水设备和终端设备。
目前采用不锈钢发展最快的是配水设备和终端设备。
2．1配水池
配水池接受从净水厂送来的水是为适应该供水区域的需水量进行配水的蓄水池。它具有对不同时间需水量不同进行调节的功能，同时，当配水池上游系统中出现故障时，配水池还具有维持规定水量、水压的功能。可缓解对该地区供水的影响。
配水池的设置有地上式，地下式和半地下式。结构大部分采用混凝土，又可分为钢筋混凝土(RC)和预制钢筋混凝土(PC)。外型一般都采用园筒型结构。从强度和建造费考虑，容量在500m3以上的采用PC，500m3以下的小型贮水槽采用RC。
由于从净水厂送出的水中含有氯，这种气体对配水池的构造材料具有腐蚀性。像配水池这样的大型贮水设施，其寿命期一般都要求保证50年以上。因此，对RC或PC混凝土结构都要进行防腐蚀处理，而且在使用过程中，还要定期对容器内壁进行维护。森松公司在开发不锈钢配水池后，对其结构、材质作了特殊的设计，使其在耐腐蚀、卫生和强度方面都比其它材料优越，特别是耐震强度是PC混凝土不可比的。因此，用不锈钢制作配水池逐渐推广开来。目前，适用于制作配水池的日本钢号有SUS304、SUS316、SUS444和SUS329J4L等。
日本森松公司采用不锈钢制作的大型配水池按外观形状可分为5种。其型号分别为moplt-x、y、z、w、p，
①moplt-x
圆顶圆柱式。其容积可达100一5000立方米。容积大的使用的钢板也厚。
②moplt-y
矩型。其容积可达100～10000立方米。结构上可以是复柜式。
③moplt-z
椭圆型。制作容积为200～10000立方米。这种结构具有抗震强度高、外型美观的特点。
④moplt-w
花瓣型。制作容积为50～2000立方米。这种结构抗震强度最好。其外型也可作成圆型。
⑤moplt-p
矩型。制作容积为1～2500立方米。为了提高抗震能力，把大型配水池拐角作成半径为R的圆弧型。这种造型也很美观。
2．2接水槽
在日本建筑物供水有两种方式，一种是直接供水，另一种方式是自来水先进入一个贮水柜，待水贮满后，再以不同供水方法把水送往用水终点。这种贮水柜称为接水槽。由于自来水的水压关系，直接供水只限于二层楼高的建筑物，高层建筑和建筑群一般都采用接水槽供水方式。
接水槽一直以钢结构为主，为防止腐蚀。在碳素纲板表面施以金属喷涂(铝或锌)，或者在碳素钢板表面涂覆树脂(环氧树脂、尼龙或酚)。
1966年日本森松工业公司开发成功了不锈钢圆筒式接水槽，采用的钢号是SUS304。开创了使用不锈钢接水槽的先河，具有划时代意义。但由于SUS304不锈钢耐腐蚀性不够好，1976年开发了铁索体系SUS444不锈钢。
1987年又开发成功了耐海水腐蚀的双相不锈钢SUS329J4L,用来制作更耐用的接水槽。
2．3自来水管道及室内配管
在日本自来水管道及室内配管上使用不锈钢已经有20多年的历史了。1980年5月制定了日本工业标准ISG3448--一般配管用不锈钢管。1982年又制定了日本自来水协会标准JWWAGll5Xubxg,com--自来水用不锈钢管和G116--自来水用不锈钢钢管接头。由此表明，不锈钢用作自来水管道和室内配管得到了空前的发展，步人了标准化的轨道。
①自来水及室内配管用不锈钢管
不锈钢管分为无缝管和焊管两大类。用于自来水管和室内配管的均为焊管。不锈钢焊管是采用不锈钢带钢通过制管机自动焊接而成，所以焊管的内外表面光洁无污物，外观非常漂亮，不改变水在管道中的流动方式，水流的阻力很小。
自来水管道及室内配管用不锈钢管还具有以下特点：
?抗腐蚀性强。即使水管埋于地下，不锈钢水管对周围土壤的侵蚀也具有优良的抗蚀性，保证经久耐用。
?卫生性好。不锈钢水管长期使用也完全能够满足自来水水质标准的要求，卫生安全性完全可以得到保证，人们可以放心使用。
?焊管重量轻、搬运施工方便。由于不锈钢焊管抗蚀性及机械性能优良，管壁可以减薄，因而使用很方便。
?抗冲击性强。用于自来水及室内配管的不锈钢管强度是镀锌钢管的2倍，是铜管的3倍，抗冲击性强。
?热传导率低。热传导率是铜管的1／25，是钢管的1／4，与其它管材相比具有热胀冷缩缓慢的特点。另外，热膨胀系数与铜管差不多，是钢管的1．5倍。所以在配管施工中，必须考虑与铜管一样大小的热胀冷缩。
②自来水管道及室内配管用不锈钢管接头。不锈钢管的连接方法很多，有熔接式，法兰盘式，垫圈式和机械连接方式。但是，自来水不锈钢管道的连接方式大多采用机械连接方式。
日本自来水协会已经制定了《自来水用不锈钢钢管接头》标准(JWWAGll6)。标准中对常用连接方法、接头性能以及检验方法都作了具体规定。详细内容请参见日本相应标准。
③其它自来水设施使用不锈钢情况
从取水、净化、消毒等纯净化处理后，以自来水供给人们生活使用，使用后以污水排到污水处理厂，处理达标后再排人江河或大海，在这样一次水循环的各个环节上，各种设施均可能使用不锈钢。
东京都自来水局金町净水厂是一座高纯净水处理设施，已经投入使用。该设施由于采用奥氧和生物活性碳来净化水，因而使用了大量的不锈钢。仅一期工程就使用了最大直经为2000～75毫米的不锈钢管。钢管总长超过1.7公里，直径为2000～75毫米的阀门、闸门类辅件约230个，三台巨大的臭氧发生器全部用不锈钢制造。
近年来，水管桥或自来水管的支架管使用不锈钢日益增多。例如东京临海卫星城的水管桥使用了双相不锈钢管SUS329J4L。该支架管的直径是1200～750毫米，配管、支架接头和螺栓螺母都使用双相不锈钢，明石?淡路岛道路的本四架桥支架管采用的是SUS316不锈钢管。
2．4供水管的不锈钢化
日本东京的近代自来水供应是1897年开通的，当时普遍使用的是镀锌管。1955年后开发并很快普及了施工性、耐用性和经济性都很优良的以硬质聚氯乙烯管为代表的塑料管和不同材料的包覆钢管，广泛用于建筑物内的水管和部分室外管道。但在要求柔软性和挠性好的部分场合(例如道路下的输水管)仍然沿用镀锌管，一直到1980年。不论是镀锌管，或是塑料管和各种包覆管，在长期使用过程中，由于这些材料的耐腐蚀性不高而遭到腐蚀，或因管线结构不尽合理(受材料的局限)，或因外力的作用(例如，热胀冷缩，施工破坏等)以及水的冲击力作用造成漏水现象十分普遍。据分析，在造成漏水的各种原因中，因材质受到腐蚀和外力作用造成的漏水占60．2％，因接合不良造成的漏水占24．5％，因结构原因造成的漏水占8％。
为此，针对造成漏水的原因，在水管的材质选择、接合方式、结构设计及水管铺设位置等各方面进行了大量的试验研究，在解决漏水方面取得了显著的效果。
根据试验研究结果，从1980年5月开始，从配水管的支管到水表之间，凡50毫米以下直径的供水管全部采用不锈钢管、可伸缩挠性机械接头、弯管及水龙头。从而开始了积极推进供水管不锈钢化的进程。
供水管的不锈钢化比率与漏水率的减少有很大的关系。随不锈钢化比率的提高，漏水修理量大大减少。据东京自来水管理部门的统计，漏水率从1982年的15％，降低到1995年的9．3％，预计到2000年将降低到7％，漏水修理件数从1983年的60110件减少到1995年的46944件，减少21．9％。见表1。
表1 供水管不锈钢化与漏水率的关系
年 漏水率/% 不锈钢化率/% 漏水修理/件
1983 14.7 11 60110
1984 14.2 16 55406
1985 13.7 23 58159
1986 13.2 31 56635
1987 12.7 38 56493
1988 12.2 44 48044
1989 11.7 50 47618
1990 11.1 55 47479
1991 10.6 60 43288
1992 10.2 64 42343
1993 9.8 68 38479
1994 9.6 72 48047
1995 9.3 76 46944
2．5水环境下不锈钢的腐蚀机理
用不锈钢代替混凝土水槽，树脂水槽和涂层钢板水槽，耐蚀性大大改善，但并不能完全消除腐蚀现象。造成不锈钢腐蚀的根源仍然是自来水中的氯离子。从自来水的卫生安全出发，规定水中游离氯气含量为0.1ppm以上，化合氯为0.4ppm。
不锈钢表面有一层纯化膜，一旦这层膜遭到破坏，破坏处即成为阳极，铁离子便在水滴中析出开始出现点腐蚀。氯气很容易溶解在水滴中，其浓度逐渐增加，直至不锈钢纯化膜遭到严重破坏。由于点腐蚀生成的铁鳞为多孔物质，氯气更容易浸入并逐渐增大浓度，点蚀速度加快。
在对自来水管腐蚀状况进行的调查中发现，自来水管的腐蚀与管子对地电位有关：
在电位高的环境，尤其在"十"的埋设条件下，85％一90％的接头发生腐蚀；在电位低的环境，尤其在一400毫伏以下电位的埋设条件，只有15％的接头发生腐蚀。
对于土壤与腐蚀的关系，调查发现，腐蚀发生率高的地区与腐蚀发生率低的地区，土壤中含水量、氯离子浓度、钙及氮含量有差异。经X射线测量分析，发现腐蚀生成物中有过量的氯存在，而在完好金属中没有氯，由此断定，氯离子是主要的影响因素。
在水工业中，除了点蚀十分普遍外，常见的腐蚀种类还有缝隙腐蚀和微生物腐蚀。
生活用水的贮存容器和输送水管道基本上是采用不锈钢焊接而成，在焊缝本身及其周围的回火氧化区、在管道的连接处都不可避免地存在缝隙，在此由于水(湿气)的存在，及自来水中氯离子在缝隙处的浓缩，常常使有缝隙的部位产生缝隙腐蚀。
自来水容器及管道自然要与水、潮湿空气或土壤接触，在这些设施的缺氧环境下，厌氧细菌极易繁殖，从而改变金属周围环境的氧、盐浓度及pH值，从而导致金属的腐蚀，这种腐蚀属微生物腐蚀。
3、结语
从60年代中期不锈钢首次应用于城市自来水供应系统以来，日本在生活用水的贮存、输送设施上使用不锈钢已经取得了宝贵的实践经验。由于采用不锈钢，减少了自来水的污染，避免?了因贮存，输送设施生锈而出?quot;红水"或"绿水"，提高了自来水的品质，让人们用上了安全而可口的自来水；同时，减少了腐蚀发生，漏水率大大降低，漏水维修也大幅度减少，既节约了宝贵的水资源，又降低了维修成本，适应了现代城市高水准的稳定供水。
在生活用水的贮存、输送和建筑物内配管中成功使用不锈钢决定于下列因素：
①根据不同的腐蚀环境，正确选用不同类型的不锈钢。城市供水设施可能置于露天，也可能埋于地下，可能蜿蜒于建筑物内，也可能滨临大海，腐蚀环境千差万别，一是要根据不同的腐蚀环境，正确选用不同的不锈钢。以减少腐蚀故障，提高运行的可靠性，节约维修成本。
②不锈钢管是刚性管，为了适应振动、不均匀下沉，甚至地震等情况，应该使用具有伸缩性的挠性机械接头。最初采用过青铜接头和不锈钢管连接，由于异种金属间电位的不同，容易导致电化学腐蚀，发生漏水事故，所以从1985年以后，就把弯头、节套之类的配件都换成了不锈钢。
③自来水管一般都采用不锈钢焊管，因此，所采用的焊接技术规范要进行认真地确认与检验。要保证焊缝全焊透，要采取措施防止或去除焊缝周围的回火氧化色。减少在焊缝周围出现腐蚀的可能，以提高使用寿命。
④改善配水系统的设计，防止在容器或管道中出现含氯湿气浓缩区，要完善向水中加氯的方式，避免高浓度的氯离子直接作用于管壁上，这样可以减少氯离子对容器和管壁造成点蚀。
⑤正确使用不锈钢接水柜、配水池、管道及阀门等配件，供水设施在施工完毕完成水压试验后，一定要尽快投入使用。如果需要空置一段时间，必须将容器或管道内的试验水排尽，甚至要烘干。在使用中要保持额定的水压和流速。防止因为外力的作用造成供水系统出现故障。
⑥建设成本高是限制推广使用不锈钢的主要因素。由于结构设计、施工方法的改善，使用中维修费用的显著降低，及使用寿命长，使得在整个寿命期内，不锈钢的寿命周期成本与其他材料相比还是低的。但是，初期投资成本不锈钢仍然较贵，据介绍，与镀锌管相比，包括材料及工程费在内，使用不锈钢管的费用要增加26％。
随着经济的不断发展，城市的规模越来越大。日本东京城区供水人口达到1086万人，供水面积达到1158平方公里，配水管长度达21896公里，供水设施能力为696万立方米／日，年配水总量168516万立方米。要保证这样的大城市实现安全、卫生和稳定供水，全部使用不锈钢来取代原有设施，无疑是一笔巨大的投资。特别是要制作有效容积在4000~_方米以上的大型配水池，如果采用整体不锈钢，其材料费用相当可观。因此，根据不同用途，正在开发新的复合材料；
不锈钢板
碳素钢板 SUS304
+--单面复合钢板
SS400 316、404、329J4L
不锈钢板
不锈钢板 碳素钢板 SUS304、316
+ + --双面复合钢板
SS304SS400 444、329J4L
用这些材料制作配水池这样的大型容器，总成本可以降低，耐久性同样很高，也达到了供给卫生饮用水的目的。
中国的不锈钢市场是世界上发展最快的，也是潜力最大的市场。近15年来，中国不锈钢消费提高了近六倍。在消费量迅速增长的同时，不锈钢的使用结构随之发生了巨大的变化。与人们生活密切相关的各行各业成为不锈钢主要的消费行业。随着人们生活水平的不断提高，与人们生活质量密切相关的不锈钢的用量将会迅速增加。
在中国经济快速发展的同时，城市空气及水质的污染日趋严重，已经引起了人们对自来水晶质的严重关切，激发了城市纯净水市场的迅猛膨胀。建筑物内不锈钢自来水管、水龙头等配件开始出现在百姓家中，预示着中国的不锈钢开始进入城市自来水供水行业。中国有几亿城市人口，城市自来水供水行业面临着水源污染不断加重，人们对水的品质要求又日益增高的不相适应的困难局面。在这种形势下，除国家加大治理污染的力度外，自来水行业采用新技术、新材料对水源进行深度处理和保护，对原有的生活用水的贮存、输送设施和建筑物内配管等广泛采用不锈钢来进行改造，已是大势所趋，势在必行。
中国在生活用水的贮存、输送及用户中大量使用不锈钢的日子正在到来。
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